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스테인리스강 용접야금
Schaeffler, 예민화, STS계열별 용접성
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스테인리스강(Stainless Steel, STS)은 크롬(Cr) 함량 10.5% 이상인 내식성 합금강입니다. 용접 시 탄소강과는 전혀 다른 야금학적 문제가 발생하며, 용접기사 시험에서 독립적으로 3~4문항이 출제됩니다.
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스테인리스강의 분류
| 계열 | 대표 강종 | 결정구조 | Cr/Ni | 특징 |
|---|---|---|---|---|
| 오스테나이트계 | 304, 316, 321 | FCC | 18Cr-8Ni | 비자성, 내식성 우수, 가장 많이 사용 |
| 페라이트계 | 430, 409 | BCC | 17Cr | 자성, 저비용, 열팽창 작음 |
| 마르텐사이트계 | 410, 420 | BCT | 13Cr | 자성, 경화 가능, 내마모성 |
| 이상(Duplex)계 | 2205, 2507 | FCC+BCC | 22Cr-5Ni | 강도+내식성 우수, 해양 구조물 |
| 석출경화(PH)계 | 17-4PH | — | 17Cr-4Ni | 열처리로 고강도 달성 |
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Schaeffler 다이어그램
Schaeffler 다이어그램은 용접금속의 Cr당량과 Ni당량으로부터 응고 후 미세조직(오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트 비율)을 예측하는 도구입니다.
Cr 당량 = Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb
Ni 당량 = Ni + 30C + 0.5Mn
| 영역 | 조직 | 특징 |
|---|---|---|
| 고Ni, 저Cr | 100% 오스테나이트 | 고온 균열 위험 높음 |
| 중간 | 오스테나이트 + 5~10% 페라이트 | 최적 (균열 저항성 우수) |
| 고Cr, 저Ni | 페라이트 + 마르텐사이트 | 취성 위험 |
> 핵심: 오스테나이트계 STS 용접금속에 δ-페라이트 5~10% 존재 시 고온 균열에 대한 저항성이 가장 우수합니다.
시험 핵심: "오스테나이트계 STS 용접금속에 적정량의 δ-페라이트가 존재하면 고온 균열 저항성이 향상된다" — 이유: 페라이트가 S, P 등 저융점 불순물을 더 많이 고용하여 결정립계 편석을 줄이기 때문입니다.
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예민화(Sensitization)
오스테나이트계 STS(304, 316)가 450~850°C 온도 구간에 노출되면 결정립계에서 Cr₂₃C₆(크롬 탄화물)이 석출됩니다. 탄화물이 Cr을 소비하여 결정립계 주변의 Cr 함량이 12% 이하로 떨어지면 입계 부식(Intergranular Corrosion)이 발생합니다.
예민화 방지법:
| 방법 | 원리 | 적용 |
|---|---|---|
| 저탄소강(L등급) 사용 | C ≤ 0.03%로 탄화물 석출 억제 | 304L, 316L |
| 안정화 원소 첨가 | Ti(321), Nb(347)가 C과 먼저 결합 | 321, 347 |
| 고용화 열처리 | 1,050~1,150°C 가열 후 급냉 | 용접 후 처리 |
| 입열량 관리 | 450~850°C 체류 시간 최소화 | 용접 시공 관리 |
시험 빈출: "304와 304L의 차이" → 탄소 함량(0.08% vs 0.03%). "321에서 Ti를 첨가하는 이유" → 탄소를 먼저 TiC로 고정하여 예민화 방지(안정화 처리).
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시그마상(σ phase)
페라이트계·이상계 STS에서 550~900°C 장시간 노출 시 형성되는 극취성 금속간 화합물입니다.
- FeCr 계열의 정방정 구조
- 극히 경하고 취성이 큼 → 충격 인성 급격히 저하
- 고온 장시간 사용(보일러, 열교환기)에서 문제
- 방지: 적절한 합금 설계, 고용화 열처리(1,050°C 이상 가열 후 급냉)
475°C 취성: 페라이트계 STS를 400~550°C에서 장시간 사용 시 페라이트가 α′상으로 분해되어 취화. 이상계(Duplex)에서도 주의 필요.
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계열별 용접 시 주의점
| 계열 | 주요 문제 | 대책 |
|---|---|---|
| 오스테나이트계 | 예민화, 고온 균열, 변형 大 | L등급 사용, δ-페라이트 관리, 입열 제한 |
| 페라이트계 | 결정립 조대화(비가역), 475°C 취성 | 예열 불필요, 입열 제한, PWHT 주의 |
| 마르텐사이트계 | HAZ 경화(마르텐사이트), 수소 균열 | 예열(200~300°C), 후열, 저수소 용접봉 |
| 이상(Duplex)계 | 페라이트/오스테나이트 비율 유지 | 입열량 엄격 관리, N₂ 첨가 보호가스 |
> 오스테나이트계 STS는 예열이 일반적으로 불필요합니다(마르텐사이트 생성 없음). 단, 마르텐사이트계 STS는 탄소강과 유사하게 예열이 필수입니다.
1
STS 계열 확인
오스테나이트(304/316), 페라이트(430), 마르텐사이트(410), 이상(2205) 중 계열을 확인합니다.
2
Schaeffler 다이어그램 적용
Cr당량/Ni당량으로 용접금속 조직 예측. δ-페라이트 5~10%가 고온 균열 저항에 최적.
3
예민화 방지 조치
L등급(304L/316L) 사용, 안정화 원소(Ti/Nb) 활용, 입열량 관리로 450~850°C 체류 최소화.
4
계열별 용접 실행
오스테나이트: 예열 불필요, 입열 제한. 마르텐사이트: 예열 200~300°C. 이상: 입열 엄격 관리.
🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 8
스테인리스강의 정의에서 최소 크롬(Cr) 함량은?